Nikita M productie/Shutterstock
Je staat waarschijnlijk niet zo vaak stil bij plantenwortels – ze zitten tenslotte onder de grond verborgen. Toch veranderen ze voortdurend de vorm van de wereld. Dit proces gebeurt in je tuin, waar planten onzichtbare mechanismen gebruiken voor hun eindeloze groei.
Wetenschappers ontdekten zo’n 15 jaar geleden dat genen aan de wortelpunt (of preciezer, het niveau van eiwitten die uit sommige genen worden geproduceerd) lijken te pulseren. Het is nog steeds een beetje een mysterie, maar recent onderzoek geeft ons nieuwe inzichten.
Wat we wel weten is dat deze oscillatie een basismechanisme is dat ten grondslag ligt aan de groei van wortels. Als we dit proces beter zouden begrijpen, zou het boeren en wetenschappers helpen bij het ontwerpen of kiezen van de beste planten om te groeien in verschillende grondsoorten en klimaten. Nu extreme weersomstandigheden zoals droogte en overstromingen steeds vaker schade toebrengen aan gewassen over de hele wereld, is het belangrijker dan ooit om te begrijpen hoe planten groeien.
Om echt te begrijpen hoe planten groeien, moet je kijken naar de processen die in de cellen plaatsvinden. In cellen vinden voortdurend talloze chemische reacties en veranderingen in de activiteit van genen plaats.
Sommige van deze reacties gebeuren als reactie op externe signalen, zoals veranderingen in licht, temperatuur of beschikbaarheid van voedingsstoffen. Maar veel van deze reacties maken deel uit van het ontwikkelingsprogramma van elke plant, gecodeerd in de genen.
Veel mensen denken aan planten als mooi groen. Essentieel voor schone lucht, ja, maar eenvoudige organismen. Een verandering in het onderzoek verandert de manier waarop wetenschappers over planten denken: ze zijn veel complexer en lijken meer op ons dan je zou denken. Dit bloeiende wetenschapsgebied is te prachtig om in één of twee verhalen recht te doen.
Dit artikel maakt deel uit van een serie, Plant Curious, waarin wetenschappelijke onderzoeken worden onderzocht die de manier waarop je naar planten kijkt op de proef stellen.
Sommige van deze celprocessen hebben regelmatige oscillaties – sommige families van moleculen verschijnen en verdwijnen ritmisch om de paar uur. Het bekendste voorbeeld is het circadiane ritme, de interne klok in planten en dieren (inclusief mensen).
Lees meer:
Hoe inzicht in lichaamsklokken van planten kan helpen bij het transformeren van de manier waarop voedsel wordt geteeld
Natuurlijke cycli
Er zijn veel andere voorbeelden van spontane oscillaties in de natuur. Sommige zijn snel, zoals de hartslag en de mitotische celcyclus, de cyclus van celdelingen. Andere, zoals de menstruatiecyclus en de winterslaap, zijn langzaam.
Er vinden ingewikkelde chemische processen plaats in die plantenwortels.
Zamrznuti tonovi/Shutterstock
Meestal kunnen ze worden verklaard door een onderliggende negatieve feedbacklus. Dit is waar een proces een reeks gebeurtenissen in gang zet die vervolgens de activiteit die het in gang heeft gezet onderdrukt. Dit lijkt het geval te zijn voor de wortelgroeipulsatie.
Kort nadat de genoscillatie van de worteltop was ontdekt, merkten wetenschappers op dat deze pulsatie een onzichtbaar spoor achterlaat. Ze ontdekten dit door fluorescente markers te gebruiken die zichtbaar zijn onder een microscoop. Deze markeringen worden achtergelaten op plaatsen waar de wortel zijwaarts kan groeien. Dit betekent dat ze regelmatige aanwijzingen geven die ertoe leiden dat het wortelstelsel zijn vorm aanneemt.
De oorzaak is vandaag de dag onbekend, hoewel wetenschappers theorieën hebben uitgesloten dat het zou kunnen worden aangedreven door circadiane oscillaties.
We weten wel dat er veel feedback-lussen bij betrokken zijn. Een plantenhormoon genaamd auxine lijkt cruciaal te zijn voor het proces. Het wekt bepaalde genen op die coderen voor eiwitten, zoals die nodig zijn voor groei. Charles Darwin veronderstelde het bestaan van auxine en de chemische structuur ervan werd ongeveer 100 jaar geleden bevestigd.
De genen die oscilleren zijn de auxine “targets”. Als auxine een cel binnendringt, worden deze doelgenen actiever. Sommige van deze genen zijn gerelateerd aan groei, maar niet allemaal. Auxine activeert de verwijdering van “repressors”, eiwitten die de activiteit van genen kunnen blokkeren. Dieren hebben ook repressors in hun cellen.
Maar deze repressors worden geactiveerd door de genen die ze blokkeren. Het zou kunnen dat deze feedbacklus de oscillaties die we zien veroorzaakt, maar dat weten we niet zeker.
We weten dat auxine van cel naar cel gaat via een ingewikkeld netwerk van transporteiwitten. De manier waarop eiwitten de reis naar delen van cellen leiden, hangt af van de omringende auxineniveaus zelf. Dit is een andere feedbacklus. De pulsatie vindt plaats in groeiende wortels, waar cellen aan het uiteinde zich voortdurend delen als gevolg van de celcyclus (die aparte feedbacklussen omvat).
Wat een raadsel
Wetenschappers wenden zich vaak tot de wiskunde om dingen te helpen verklaren. Onderzoekers gebruiken al sinds de oudheid meetkunde om het zichtbare deel van planten te bestuderen. Een tak van de wiskunde die in de 19e eeuw is ontwikkeld, genaamd Dynamical Systems Theory (DST), heeft wetenschappers wat meer duidelijkheid gegeven over waarom plantenwortels oscilleren. Wetenschappers hebben hulpmiddelen van DST gebruikt om te proberen aan te tonen hoe auxinepatronen worden beïnvloed door celdelingen.
Als deze celdelingen goed gesynchroniseerd zouden zijn, konden we laten zien dat dit in theorie een regelmatige puls van auxine zou produceren.
Maar dit lost het mysterie niet op, omdat cellen zich normaal gesproken niet allemaal op hetzelfde moment delen en elke pulsatie van auxine dus vrij onregelmatig zou zijn.
Toen mijn team onder de microscoop naar fluorescerende auxinemarkers keek, vonden we een gebrek aan regelmaat in auxine, in de delen van de wortel waar de doelgenen regelmatig oscilleren.
Dit suggereert dat de gen oscillatie in de wortelpunt gekoppeld kan zijn aan wortelgroei, maar niet op hetzelfde moment gebeurt als de wortelstamcellen zich delen.
Hoewel het nog steeds mysterieus is, zijn we nu beter in staat om dit raadsel te ontcijferen. Het antwoord ligt waarschijnlijk niet in één enkel proces, maar in een samenspel van verschillende processen. We kennen de hoofdrolspelers, maar de regels van het spel dat ze spelen moeten nog ontdekt worden.
Lees meer:
Waarom zien bloemkolen er zo vreemd uit? We hebben de wiskunde achter hun ‘fractale’ vorm gekraakt
Etienne Farcot werkt niet voor, heeft geen adviesfuncties, bezit geen aandelen in en ontvangt geen financiering van bedrijven of organisaties die baat zouden hebben bij dit artikel en heeft geen relevante banden bekendgemaakt buiten zijn academische aanstelling.
